Curs 8

2012/2013

Curs◦ marti, 13-16, P7

◦ 2C 3C

(14-4)*2/3≈6.66

4+6.66=11-0.33

Capitolul 9

Partea I

Avantaje◦ Putere optica ridicata (50mW functionare continua, 4W

functionare in impulsuri)◦ Precizie ridicata a controlului (impulsuri cu latimea de

ordinul fs - femptosecunde) – viteza mare de lucru◦ Spectru ingust, teoretic LASER ofera o singura linie

spectrala◦ Lumina coerenta si directiva (~80% poate fi cuplata in fibra)

Dezavantaje◦ Cost (dispozitiv si circuit de comanda: controlul puterii si al

temperaturii)◦ Durata de viata◦ Senzitivitate crescuta cu temperatura◦ Modulatie analogica dificila (de obicei cu dispozitive

externe)◦ Lungime de unda fixa

LASER = Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation = Amplificarea Luminiiprin Emisie Stimulata

Un foton incident poate cauza prin absorbtietranzitia unui electron pe un nivel energetic superior

Emisia spontana – electronul trece in stareaenergetica de echilibru emitand un foton

Trecerea se realizeaza prin recombinarea uneiperechi electron-gol

Directia si faza radiatiei emise sunt aleatoare

Emisia stimulata – un foton incident cu energie corespunzatoare poate stimula emisiaunui al doilea foton fara a fi absorbit

Noul foton are aceeasi directie si faza cu fotonul incident, Lumina rezultata e coerenta

Recombinarea unei perechi electron-gol necesitaconservarea impulsului

In Si si Ge aceasta conditie presupune aparitiaunui foton intermediar (tranzitie indirecta) a caruienergie se transforma in caldura

Se utilizeaza aliaje de Ga Al As sau In Ga As P

Spatierea atomilor in diferitele straturi trebuie safie egala (toleranta 0.1%) pentru a nu se introduce defecte mecanice la jonctiune◦ limitare a aliajelor utilizabile◦ aparitia defectelor creste ineficienta (recombinari neradiative)

scade durata de viata a dispozitivului

gg

E

hchE ;

h constanta lui Plank 6.62·10-32 Ws2

c viteza luminii in vid2.998·108m/s

Inversiune de populatie◦ necesara deoarece electronii au capabilitatea de a

absorbi energie la aceeasi frecventa la care are loc emisia stimulata

◦ se defineste probabilistic: probabilitatea de emisiestimulata sa fie mai mare decat probabilitatea de absorbtie

Materialele capabile sa genereze inversiunede populatie au starea excitata metastabila

avec pnpn

La un material cu 4 nivele energetice tranzitiaradianta a electronului (3) se termina intr-o stare instabila, starea de echilibru obtinandu-se prin emisia unui fonon

Inversiunea de populatie se obtine mult maiusor datoritaelectronilor din stareaintermediara

Pentru ca emisia stimulata sa apara, fotoniiemisi trebuie sa ramana in contact cu materialul o perioada mai mare de timp – 2 oglinzi necesare

Pentru a permite extragerea radiatiei e necesar ca una din oglinzi sa fie partial reflectanta

Pentru diodele laser utilizate in comunicatiireflectivitatea oglinzilor nu trebuie sa fie foarte mare

Interfata semiconductor aer ofera un coeficient de reflexie de ~6% dar poateajunge la 36% pentru lungimea de unda de operare (vezi lamela dielectrica)

Pentru a realiza◦ coerenta radiatiei

◦ interferenta constructiva intre radiatiile incidente sireflectate de oglinzi,

distanta intre oglinzi trebuie sa fie un multiplu a jumatate din lungimea de unda

Pentru eficientizarea pomparii de energie din

exterior L=100÷200μm, k 400

nkL 0

2

1

fn

ckL

2

0

Definirea directiilor in dioda LASER

Ln

ckfk

2

0

Ln

cf

2

0

Ln

2

20

Castigul diodei laser (eficacitatea aparitieiemisiei stimulate) depinde◦ de caracteristicile energetice ale materialului din

care e realizata dioda

◦ de energia pompata din exterior (curentul prindioda)

Pentru operarea in impulsuri, un salt de λ/4 ingusteaza suplimentar spectrul diodei laser

Se utilizeaza suprafete reflective selective pentru filtrare optica

Amorsarea emisiei stimulate necesitapomparea unei anumite cantitati de energie –curent de prag

A

W

I

Pr o

thII

Curentul de prag variaza cu temperatura si cu timpul

Variatia tipica 1-2%/°C

Dependenta de temperatura a curentului de prag este exponentiala

I0 e o constanta determinata la temperaturade referinta

0/0

TTth eII

Material Lungime de unda T0

InGaAsP 1300 nm 60÷70 K

InGaAsP 1500 nm 50÷70 K

GaAlAs 850 nm 110÷140 K

Gain guided – 8÷20 linii spectrale (5÷8 nm)

Index guided – 1÷5 linii spectrale (1÷3 nm)

Sursa lambertiana

◦ Eficienta cuplarii in fibra

Aproximatie Lambertiana pentru surse cu directivitate crescuta

cos)( 0 PP

nPP cos)( 0

2

2

ss

f

r

aNA

P

P

2

2

1NA

n

P

P

s

f

2

2

2

g

g

r

aNA

P

P

ss

f

La alimentarea cu curent a diodei laser emisiaeste initial spontana, devenind stimulata dupaamorsarea acesteia

emisia spontanaeste un fenomenintrinsec aleator

Intarzierea estevariabila - jitter

Frecventa de oscilatie depinde de indicele de refractie al materialului

Indicele de refractie depinde de concentratiade purtatori

Cand curentul este modulat in impuls apare o modulatie a frecventei luminii cu efectulcresterii latimii spectrale a diodei (un ordin de magnitudine)

Generate de schimbul de energie intre electronisi fotoni

Amorsarea emisiei stimulate duce la descrestereanumarului de electroni in starea excitata, ceea ceduce la micsorarea emisiei de fotoni

Acumularea din nou a electronilor in stareaexcitata duce din nou la cresterea puterii

f1 = 1÷4 GHz

Cresterea vitezei si minimizarea erorilor date de oscilatiile de relaxare si variatiile timpuluide amorsare dioda este partial stinsa in timpul transmisiei unui nivel 0 logic

Raport de stingere

Raportul semnalzgomot scade cu (1-α)

Tipic ER = 10÷15dB

1

H

H

P

PER

Pentru viteze mari se prefera utilizarea emisieicontinue si modulareaoptica a radiatiei

In LiNbO3 viteza luminiidepinde de campulelectric, ceea ce permiteintroducerea unui defazajegal π

Creste complexitateacircuitului de control

Tensiuni de 4÷6 Vnecesare

Jonctiunea intre doua materiale conductoarediferite poate genera sau absorbi caldura in functie de sensul curentului

Tipic se utilizeaza doua regiunisemiconductoare puternic dopate (tipic teluritde bismut) conectate electric in serie iartermic in paralel

Mode hopping – salt de mod (hole burning)

RIN – Relative Intensity Noise (generat de emisiaspontana)

Zgomot de faza (idem) – necesitatea modulatiei in amplitudine

Zgomot intercavitati (reflexiile din exterior in zonaactiva)

Drift – variatia parametrilor cu varsta si temperatura(in special distanta intre oglinzi)

Heterojunctiuneingropata

Heterojunctiunemuchie (ridge)

Concentrare verticala a purtatorilor◦ Electronii sunt atrasi din zona n in zona activa◦ O bariera energetica existenta intre zona activa si

zona n concentreaza electronii in zona activa◦ Situatie similara corespunzatoare golurilor◦ Purtatorii sunt concentrati in zona activa, crescand

eficienta

Cand lumina e pastrata in cavitati mai micidecat lungimea de unda nu mai poate fimodelata prin unda, modelul devine cuantic

Daca inaltimea zonei active scade la 5-20 nm comportarea diodei laser se schimba◦ energia necesara pentru inversarea de populatie se

reduce, deci curentul de prag scade

◦ dimensiunea redusa a zonei active duce la scadereaputerii maxime

multiple straturi subtiri suprapuse – Multiple Quantum Well

Avantaje◦ curent de prag redus

◦ stabilitate crescuta a frecventei la functionarea in impuls

◦ latime mica a liniilor spectrale

◦ zgomot redus

1565 nm

RL +0.00 dBm5.0 dB/DIV

1545 nm

Emisie spontanăAmplificată (ASE)

Canale: 16Spaţiere: 0.8 nm

Necesitate◦ In sistemele WDM exista necesitatea (in propuneri

pentru arhitecturi viitoare de retele) pentru reglajfoarte rapid al lungimii de unda pe un anume canal - zeci de ns

◦ In aceleasi sisteme intervine necesitatea rutarii prinlungime de unda - timp de reglaj necesar de ordinul secundelor)

◦ realizarea cererilor de date - timp de reglaj de ordinul sute de μs

◦ reglarea emitatorilor individuali in sistemele WDM lipsa necesitatii controlului strict la productia diodelor

degradarea lungimii de unda in timp

Curentul trece prin zona activa ducand la amplificarea luminii

curentul ce parcurge zona corespunzatoarereflectorului Bragg modifica indicele de refractieal acestei zone deci lungimea de unda

zona centrala suplimentara permite reglaj fin suplimentar in jurul valorii impuse de reflectorulBragg

Dezavantajul metodelor anterioare e dat de limita redusa a reglajului (~10nm)

Reflectorul Bragg esantionat (periodic) produce spectru de filtrare discret

Regland unul din reflectori se obtinerezonanta la suprapunerea celor douaspectre

Dezavantaj : reglajul e discret

Oglinzile pot fi realizate din straturisuccesive din semiconductori cu indici de refractie diferiti – reflector Bragg

Prelucrarea laterala se rezuma la taierea materialului

Numarul total de straturi poate ajunge la 500

Caracteristici

puteri de ordinul 1mW

lungimi de unda 850 si 980 nm

radiatie de iesire circulara cu divergentaredusa

Caracteristici◦ VCSEL produce mai multe moduri transversale

insensibila la pierderile selective la mod din fibrele multimod (principala limitare in utilizarea diodelor laser in fibrele multimod)

◦ Curenti de prag foarte mici (5mA) si putere disipata redusa

circuite de control speciale nu sunt necesare

◦ Banda de modulatie mare (2.4GHz)

◦ Stabilitate mare cu temperatura si durata de viata

Dependenta de temperatura a curentului de prag este exponentiala

I0 e o constanta determinata la temperaturade referinta

0/0

TTth eII

Material Lungime de unda T0

InGaAsP 1300 nm 60÷70 K

InGaAsP 1500 nm 50÷70 K

GaAlAs 850 nm 110÷140 K

Puterea scade in timp exponential

τm – timpul de viata

Diodele laser sunt supuse la conditii extreme de lucru◦ densitati de curent in zona activa 2000÷5000A/cm2

◦ densitati de putere optica: 105÷106 W/cm2

Diverse definitii ale timpului de viata faccomparatiile dificile

mtePtP /0

Laboratorul de microunde si optoelectronica

http://rf-opto.etti.tuiasi.ro

rdamian@etti.tuiasi.ro